CN115437057B - 几何相位元件及光场空间模式π/2变换装置 - Google Patents

几何相位元件及光场空间模式π/2变换装置 Download PDF

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Abstract

一种几何相位元件及光场空间模式π/2变换装置，涉及光学技术领域，用以解决现有光场空间模式变换装置无法实现高精度的π/2散延迟的问题。本发明的技术要点包括：预先获得用于实现π/2像散延迟的空间相位分布，作为π/2像散延迟空间相位分布，并根据二分之一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵获得二元光学元件的光轴取向空间分布函数，从而完成二元光学元件的设计；基于上述设计的二元光学元件，提出光场空间模式π/2变换装置，以分别对入射标量光场和矢量光场的空间模式进行转换。本发明提出的二元光学元件具有高精度且紧凑、易集成的特点，简化了模式变换光路的调教过程，可应用于光场空间模式变换技术中。

Description

几何相位元件及光场空间模式π/2变换装置
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种几何相位元件及光场空间模式π/2变换装置。
背景技术
光场的旁轴空间模式与偏振态类似，都可在态空间中做连续幺正变换。拥有由偏振状态所决定的自旋角动量(SAM)，以及横向空间模式所决定轨道角动量(OAM)。光场偏振态的变换可通过旋转具备π/2双折射延迟的器件(如波片)来实现，而光场空间模式的变换则可通过旋转具备π/2的像散延迟器件实现。近年来，光场空间模式在光子学领域的广泛应用，使得相关模式变换技术及装置越来越受到重视。
在传统光学领域，典型的空间模式变换器可由两个对称的柱透镜组成。例如1999年《Optics Communications》159卷13页发表的《Performance of a cylindrical lensmode converter for producing Laguerre–Gaussian laser modes》，利用柱透镜组构成的π/2模式变换器，实现了厄米-高斯(HG)模式与拉盖尔-高斯模式(LG)间的模式变换。然而，上述模式变换器，对柱透镜间的空间距离以及入射光场束腰尺寸的严格要求，导致了安装与调试过程的复杂性，大大限制了其实际应用。为此，2018年《Applied Optics》57卷6076页发表的《Integrated design of pi/2converter and its experimentalperformance》，将两个柱透镜集成化，不必对两个柱透镜的角度以及空间间隔进行调试，但入射光场依旧需要额外透镜的辅助以满足模式变换对束腰的要求。而且，此类大体积折射器件在旋转过程中会对光束指向造成偏折射，限制了应用场景。此外，由于自由空间衍射的存在，上述基于透镜系统的模式变换装置也无法实现高精度的π/2像散延迟。
发明内容
鉴于以上问题，本发明提出一种几何相位元件及其设计方法及光场空间模式π/2变换装置，用以解决现有光场空间模式变换装置无法实现高精度的π/2像散延迟的问题。
根据本发明的一方面，提供一种几何相位元件，所述几何相位元件的光轴取向按照如下分布设置：
Figure BDA0003812119700000021
式中，x和y分别为所述几何相位元件上各点处对应的二维空间直角坐标系的横坐标和纵坐标，β(x,y)表示所述几何相位元件的光轴取向空间分布函数，
Figure BDA0003812119700000022
为预设的π/2像散延迟空间相位分布，所述π/2像散延迟空间相位分布
Figure BDA0003812119700000023
的表达式为：
Figure BDA0003812119700000024
其中，λ表示光束波长；z表示光束两次加载空间相位分布
Figure BDA0003812119700000025
的空间间隔。
根据本发明的另一方面，提供一种几何相位元件设计方法，该方法包括以下步骤：
预先获得用于实现π/2像散延迟的空间相位分布
Figure BDA0003812119700000026
作为π/2像散延迟空间相位分布，所述π/2像散延迟空间相位分布
Figure BDA0003812119700000027
的表达式为：
Figure BDA0003812119700000028
式中，x和y分别为所述几何相位元件上各点处对应的二维空间直角坐标系的横坐标和纵坐标；λ表示光束波长；z表示光束两次加载空间相位分布
Figure BDA0003812119700000029
的空间间隔；
根据二分之一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵，获得几何相位元件的光轴取向空间分布函数β(x,y)，以完成几何相位元件的设计；其中，所述光轴取向空间分布函数的表达式为：
Figure BDA00038121197000000210
根据本发明的另一方面，提供一种光场空间模式π/2变换装置，该装置包括两个如上所述的几何相位元件：第一几何相位元件和第二几何相位元件；所述第一几何相位元件和所述第二几何相位元件的空间光轴取向相反且二者与水平方向的夹角相同。
进一步，提供一种利用如上所述的一种光场空间模式π/2变换装置进行光场空间模式π/2变换的方法，所述光场空间模式π/2变换的过程包括：携带具有特定偏振状态的空间模式且波长为λ、束腰半径为
Figure BDA00038121197000000211
的标量光场，自束腰位置从所述第一几何相位元件入射，经自由衍射空间距离z后，从所述第二几何相位元件射出，即完成空间模式像散变换，获得π/2模式变换后的标量光场；其中，所述特定偏振状态包括左旋圆偏振或右旋圆偏振。
根据本发明的又一方面，提供另一种光场空间模式π/2变换装置，该装置包括偏振分束器、偏振相互正交的反射臂和透射臂；所述反射臂包括一个如上所述的几何相位元件：第三几何相位元件，所述透射臂包括一个如上所述的几何相位元件：第四几何相位元件；所述第三几何相位元件和第四几何相位元件的空间光轴取向相同且二者与水平方向的夹角相反。
进一步地，所述反射臂还包括第一法拉第旋光器、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一反射镜；按照通光方向，所述反射臂的组成为：第一法拉第旋光器、第一四分之一波片、第三几何相位元件、第二四分之一波片、第一反射镜。
进一步地，所述透射臂还包括第二法拉第旋光器、第三四分之一波片、第四四分之一波片、第二反射镜；按照通光方向，所述透射臂的组成为：第二法拉第旋光器、第三四分之一波片、第四几何相位元件、第四四分之一波片、第二反射镜。
进一步地，所述装置的输出端设置有二分之一波片，以交换反射臂和透射臂在分别完成模式变换后空间模式的偏振状态。
进一步地，所述第一法拉第旋光器和所述第二法拉第旋光器具有能将线性偏振光单向旋转45°的相同光学参数。
进一步，提供一种利用如上所述的另一种光场空间模式π/2变换装置进行光场空间模式π/2变换的方法，所述光场空间模式π/2变换的过程包括：携带具有特定偏振状态的空间模式且波长为λ、束腰半径为
Figure BDA0003812119700000031
的矢量光场，由偏振分束器分束后，一束反射光经反射臂完成标量模式变换，并以水平偏振态经由偏振分束器透射输出；另一束透射光经透射臂完成标量模式变换，并以垂直偏振态经由偏振分束器反射输出；在经偏振分束器合束后从二分之一波片透射出，完成矢量光场的π/2模式变换，获得π/2模式变换后的矢量光场；其中，所述特定偏振状态包括左旋圆偏振或右旋圆偏振。
本发明的有益技术效果是：
本发明提出一种实现高精确π/2像散延迟的新型几何相位元件及其设计方法及光场空间模式π/2变换装置，与现有技术相比，其显著优点是：设计了一种高精度且紧凑、易集成的新型二元光学几何相位元件，进而设计一种光场空间模式π/2变换装置，大大简化了模式变换光路的调试过程，是光场空间模式变换的切实可行技术途径。
附图说明
图1是本发明实施例中所设计的几何相位元件的光轴取向空间分布以及相应的几何相位空间分布图；
图2是本发明实施例中光场通过所设计的几何相位元件的变化示意图；
图3是本发明实施例中光场通过所设计的几何相位元件的空间相位分布完成光场空间模式π/2变换的过程示意图；
图4是本发明实施例中一种光场空间模式π/2变换装置的示意图；
图5是本发明实施例中空间模式π/2变换的可视化示例图；
图6是本发明实施例中空间模式π/2变换后标量光场空间形貌的结果示例图；
图7是本发明实施例中一种光场空间模式π/2变换装置的另一示意图；
图8是本发明实施例中空间模式π/2变换后矢量光场空间形貌的结果示例图；其中，(a1)、(a2)、(a3)为理论结果图，(b1)、(b2)、(b3)为实验结果图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，在下文中将结合附图对本发明的示范性实施方式或实施例进行描述。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式或实施例，都应当属于本发明保护的范围。
为解决基于透镜系统的空间模式变换器在结构、精度等方面的瓶颈问题，本发明基于几何相位原理设计了一种实现高精确π/2像散延迟的新型几何相位元件，并以此元件为基础提出了相应的光场空间模式π/2变换装置。
本发明第一实施例提供了一种几何相位元件，几何相位元件的光轴取向按照如下分布设置：
Figure BDA0003812119700000041
式中，x和y分别为几何相位元件上各点处对应的二维空间直角坐标系的横坐标和纵坐标，β(x,y)表示几何相位元件的光轴取向空间分布函数，
Figure BDA0003812119700000042
为预设的π/2像散延迟空间相位分布，π/2像散延迟空间相位分布
Figure BDA0003812119700000043
的表达式为：
Figure BDA0003812119700000044
其中，λ表示光束波长；z表示光束两次加载空间相位分布
Figure BDA0003812119700000051
的空间间隔。
需要说明的是，光学元件为液晶微纳器件或介电超表面等遵循偏振几何相位原理的几何相位元件。
本发明第二实施例提供了一种几何相位元件设计方法，该方法首先设计一种能够实现π/2像散延迟的空间相位分布，然后将空间相位分布作为目标几何相位空间分布转译为几何相位元件的光轴取向的二维空间分布，即完成了能够精确产生几何相位元件的设计。下面具体以基于LC空间变取向波片为物理载体，阐述几何相位元件的设计过程。
预先获得的能够实现π/2像散延迟的空间相位分布
Figure BDA0003812119700000052
为：
Figure BDA0003812119700000053
式中，x和y分别为所述几何相位元件上各点处对应的二维空间直角坐标系的横坐标和纵坐标；λ表示光束波长；z表示光束两次加载空间相位分布
Figure BDA0003812119700000054
的空间间隔；
根据圆偏振态的几何相位原理，为实现对入射圆偏空间模式施加
Figure BDA0003812119700000055
的空间几何相位，根据二分之一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵，可得到目标几何相位元件所需的光轴取向空间分布函数：
Figure BDA0003812119700000056
其中，二分之一波片的琼斯矩阵J(θ)，可表述为：
Figure BDA0003812119700000057
式中，θ代表二分之一波片慢轴与水平方向的夹角。右旋圆偏振[1 i]T入射上述二分之一波片后，计算结果如下所示：
Figure BDA0003812119700000058
上式表明，右旋圆偏振光入射慢轴角度为θ的二分之一波片后，偏振转换左旋圆偏振光，且获得e2iθ的额外相位(即几何相位，且该相位为慢轴角度θ的两倍)。与之对应，左旋圆偏振[1 -i]T入射该二分一波片后,计算结果如下所示：
Figure BDA0003812119700000061
上式表明，左旋圆偏振光入射慢轴角度为θ的二分之一波片后，偏振转换右旋圆偏振光，且获得e-2iθ的额外相位(即几何相位，且该相位为慢轴角度θ的负两倍)。上述过程即为圆偏振态经由二分之一波片获得几何相位的过程。因此，以右旋圆偏振入射光为例，对于式(1)所示已知的相位分布
Figure BDA0003812119700000062
设计相应二元光学几何相位元件时，只需将二元光学几何相位元件的光轴取向空间分布函数设置为相位分布
Figure BDA0003812119700000063
的一半即可(即式(2))。至此，便完成了新型的二元光学几何相位元件(即液晶基空间变取向波片)的设计。
以z＝300mm，λ＝795nm为例，直径3mm范围内，光轴取向空间分布以及相应几何相位空间分布如图1所示，此时几何相位元件的水平方向即为慢轴方向。类比于偏振领域由双折射晶体构成的波片中对光场延迟多的晶体轴称为慢轴，光场延迟少的轴称为快轴，本发明中将空间相位分布
Figure BDA0003812119700000064
的水平x方向称为慢轴，垂直y方向称为快轴。如图2所示，当右旋圆偏振的入射光场HG2,1入射所设计的二元光学几何相位元件时，光场偏振被转换为左旋圆偏振，且光场加载图1右侧所示的空间几何相位。
进一步以波长z＝300mm，λ＝795nm，束腰半径w0＝0.3276的高斯光束为例，空间相位分布
Figure BDA0003812119700000065
完成光场空间模式π/2变换的过程如图3所示，高斯光束在束腰位置加载相位
Figure BDA0003812119700000066
并在自由衍射z距离后再次加载该相位。由于该相位分布在水平(x)与垂直(y)方向上各向异性的相位分布，光束在水平(x)与垂直(y)方向上经历了聚焦程度不同的像散过程。图3上半部分即为入射光束在水平(x)与垂直(y)方向上聚焦时的束腰变化过程，虚线表示光束水平(x)方向的束腰变化，实线表示光束垂直(y)方向的束腰变化。所述高斯光束在第二次加载相位
Figure BDA0003812119700000067
时，水平(x)与垂直(y)方向上的束腰半径等值，且与入射原始束腰相同。所述高斯光束在两次加载空间相位分布
Figure BDA0003812119700000068
的过程中，所积累的Gouy相位如图3下半部分所示，水平(x)方向逐渐积累3π/4的Gouy相位，垂直(y)方向逐渐积累π/4的Gouy相位，两个方向上积累的Gouy相位差为π/2，从而实现光场空间模式π/2变换。
本发明第三实施例提供了一种基于上述几何相位元件的光场空间模式π/2变换装置，该装置能够在旋转过程中，完成入射标量光场的空间模式π/2变换。如图4所示，该装置包括两个按照上述设计过程所设计的新型几何相位元件：第一几何相位元件11、第二几何相位元件12；第一几何相位元件11和第二几何相位元件12具有相反的空间光轴取向(即空间光轴取向函数反号)，且两者慢轴与水平方向的夹角相同。
对于利用上述空间相位分布所设计的几何相位元件，当携带空间模式且波长为λ、束腰半径
Figure BDA0003812119700000071
的右(或左)旋圆偏振入射光束(即标量光场)，自束腰位置从第一几何相位元件11入射上述变换装置，该入射光束自由衍射z距离，从第二几何相位元件12出射该变换装置时，该入射光束在该变换装置的“慢轴”方向积累3π/4的Gouy相位，在“快轴”方向积累π/4的Gouy相位，从而使得入射光束空间模式的π/2模式变换得以完成。
需要说明的是，标量光场的空间模式在入射第一几何相位元件11前，具有特定偏振状态(左旋或右旋)，以满足几何相位元件的偏振需求。第一几何相位元件11和第二几何相位元件12之间的空间间隔由所设计的几何相位元件的参数z确定。标量光场在第一几何相位元件11和第二几何相位元件12上，获得完全相同的几何相位分布。
下面具体以厄米-高斯模式HG2，1为例，阐述完成标量光场空间模式π/2变换所需的装置结构及原理。如图4所示，该装置由第一几何相位元件11和第二几何相位元件12构成，本实施例中，第一几何相位元件11和第二几何相位元件12均为液晶基空间变取向波片。待转换光场束腰半径
Figure BDA0003812119700000072
且于束腰位置入射第一几何相位元件11；第一几何相位元件11和第二几何相位元件12的光轴取向空间分布相反，两者慢轴与水平方向的夹角相同，两者间的空间距离为z；待转换光场在第一几何相位元件11和第二几何相位元件12上获得的空间几何相位完全相同。
与偏振状态的可视化类似，空间模式的π/2模式变换同样可以用庞加莱球上的轨迹进行可视化。HG2，1模式，其空间模式π/2变换轨迹与水平偏振经过四分之一波片后在庞加莱球上的轨迹相同，均为如图5虚线所示的“8”字型轨迹。以图5中庞加莱球上的点(即1-12)为例，图6中示出了模式变换后光场空间形貌的实验结果。
本发明第四实施例提供了另一种基于上述几何相位元件的光场空间模式π/2变换装置，如图7所示。该装置能够在旋转过程中，完成入射矢量光场的空间模式π/2变换。该装置包括两个按照上述设计过程所设计的新型几何相位元件：第三几何相位元件23、第四几何相位元件33；第三几何相位元件23和第四几何相位元件33的光轴取向空间分布完全一致，两者慢轴与水平方向的夹角相反；还包括：偏振分束器4(即图中PBS)、第一法拉第旋光器21、第二法拉第旋光器31、第一四分之一波片22(即图中QWP1)、第二四分之一波片24(即图中QWP2)、第三四分之一波片32(即图中QWP3)、第四四分之一波片34(即图中QWP4)、第一反射镜25、第二反射镜35、二分之一波片5(即图中HWP)。该变换装置由偏振分束器4分为反射臂与透射臂两臂；反射臂与透射臂分别完成矢量光场正交分量的模式变换过程；二分之一波片5置于该矢量光场π/2模式变换装置的输出端，用于交换两臂分别模式变换后空间模式的偏振状态。
进一步地，反射臂的组成按照通光方向，由第一法拉第旋光器21、第一四分之一波片22、第三几何相位元件23、第二四分之一波片24、第一反射镜25构成；透射臂的组成按照通光方向，由第二法拉第旋光器31、第三四分之一波片32、第四几何相位元件33、第四四分之一波片34、第二反射镜35构成。
需要说明的是，第一法拉第旋光器21和第二法拉第旋光器31均基于磁致旋光效应具备将线性偏振光单向旋转45°的功能，即具有相同的光学参数，能将线性偏振光单向旋转45°；第三几何相位元件23和第一反射镜25之间的空间距离、第四几何相位元件33和第二反射镜35之间的空间距离均由所设计的几何相位元件的参数z确定。
当波长为λ、束腰半径
Figure BDA0003812119700000081
的矢量光场，经由偏振分束器4进入矢量光场空间模式π/2变换装置后，矢量光场被分解为水平与垂直偏振两个偏振相关的空间模式。垂直偏振的空间模式，由偏振分束器4反射后，经由矢量光场空间模式π/2变换装置的反射臂完成标量模式变换过程，并以水平偏振态经由偏振分束器4透射输出；水平偏振的空间模式，由透射偏振分束器4后，经由矢量光场空间模式π/2变换装置的透射臂完成标量模式变换过程，并以垂直偏振态经由偏振分束器4反射输出。水平与垂直偏振的变换后空间模式经由偏振分束器4合束并从二分之一波片透射后，从而使得矢量光场的π/2模式变换得以完成。
进一步地，第三几何相位元件23和第四几何相位元件33为液晶基空间变取向波片，转换矢量光场束腰半径
Figure BDA0003812119700000082
且偏振分束后的束腰位置同时位于两个液晶基空间变取向波片上；第一四分之一波片22慢轴与水平方向的夹角为0°；第三四分之一波片32慢轴与水平方向的夹角为90°；两个液晶基空间变取向波片光轴取向空间分布完全一致，两者慢轴与水平方向的夹角相反；两个液晶基空间变取向波片分别与第一反射镜25或第二反射镜35的空间距离为z/2；第二四分之一波片24与第四四分之一波片34慢轴与水平方向的夹角无限制；二分之一波片5慢轴与水平方向的夹角为45°，用以交换反射臂与透射臂模式变换后光场的偏振。
下面具体以矢量模式
Figure BDA0003812119700000091
为例，选取第三几何相位元件23慢轴角度θ＝0°,30°,45°，展示矢量光场的π/2模式变换。图8(a)和(b)分别展示了模式变换后，理论及实验的矢量光场形貌对比。图8(a)为所述矢量模式在慢轴角度θ＝0°,30°,45°下，进行模式变换的理论结果，图中底层由黑到白的灰度变化，代表矢量光场的强度分布；上层椭圆分布，代表了椭圆所在位置，光场的偏振状态(白色代表右旋，灰色代表左旋)。图8(b)为相应实验结果，对比可知，实验模式变换后矢量模式的光场的强度分布与偏振状态分布非常吻合，本发明所提出的上述装置可以完成矢量光场的空间模式π/2变换。
综上，本发明提出一种实现高精确π/2像散延迟的新型几何相位元件及其设计方法及光场空间模式π/2变换装置，设计的高精度且紧凑、易集成的新型二元光学几何相位元件，大大简化了模式变换光路的调教过程，是光场空间模式变换的切实可行技术途径。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种几何相位元件，其特征在于，所述几何相位元件的光轴取向按照如下分布设置：
Figure FDA0004115701650000011
式中，x和y分别为所述几何相位元件上各点处对应的二维空间直角坐标系的横坐标和纵坐标，β(x,y)表示所述几何相位元件的光轴取向空间分布函数，
Figure FDA0004115701650000012
为预设的π/2像散延迟空间相位分布，所述π/2像散延迟空间相位分布
Figure FDA0004115701650000013
的表达式为：
Figure FDA0004115701650000014
其中，λ表示光束波长；z表示光束两次加载空间相位分布
Figure FDA0004115701650000015
的空间间隔。
2.一种几何相位元件设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
预先获得用于实现π/2像散延迟的空间相位分布
Figure FDA0004115701650000016
作为π/2像散延迟空间相位分布，所述π/2像散延迟空间相位分布
Figure FDA0004115701650000017
的表达式为：
Figure FDA0004115701650000018
式中，x和y分别为所述几何相位元件上各点处对应的二维空间直角坐标系的横坐标和纵坐标；λ表示光束波长；z表示光束两次加载空间相位分布
Figure FDA0004115701650000019
的空间间隔；
根据二分之一波片对圆偏振态操作的琼斯矩阵，获得几何相位元件的光轴取向空间分布函数β(x,y)，以完成几何相位元件的设计；其中，所述光轴取向空间分布函数的表达式为：
Figure FDA00041157016500000110
3.一种光场空间模式π/2变换装置，其特征在于，包括两个如权利要求1所述的几何相位元件：第一几何相位元件(11)和第二几何相位元件(12)；所述第一几何相位元件(11)和所述第二几何相位元件(12)的空间光轴取向相反且二者与水平方向的夹角相同。
4.一种利用如权利要求3所述的光场空间模式π/2变换装置进行光场空间模式π/2变换的方法，其特征在于，所述光场空间模式π/2变换的过程包括：携带具有特定偏振状态的空间模式且波长为λ、束腰半径为
Figure FDA00041157016500000111
的标量光场，自束腰位置从所述第一几何相位元件(11)入射，经自由衍射空间距离z后，从所述第二几何相位元件(12)射出，即完成空间模式像散变换，获得π/2模式变换后的标量光场；其中，所述特定偏振状态包括左旋圆偏振或右旋圆偏振。
5.一种光场空间模式π/2变换装置，其特征在于，包括偏振分束器(4)、偏振相互正交的反射臂和透射臂；所述反射臂包括一个如权利要求1所述的几何相位元件：第三几何相位元件(23)，所述透射臂包括一个如权利要求1所述的几何相位元件：第四几何相位元件(33)；所述第三几何相位元件(23)和第四几何相位元件(33)的空间光轴取向相同且二者与水平方向的夹角相反；
所述反射臂还包括第一法拉第旋光器(21)、第一四分之一波片(22)、第二四分之一波片(24)、第一反射镜(25)；按照通光方向，所述反射臂的组成为：第一法拉第旋光器(21)、第一四分之一波片(22)、第三几何相位元件(23)、第二四分之一波片(24)、第一反射镜(25)；
所述透射臂还包括第二法拉第旋光器(31)、第三四分之一波片(32)、第四四分之一波片(34)、第二反射镜(35)；按照通光方向，所述透射臂的组成为：第二法拉第旋光器(31)、第三四分之一波片(32)、第四几何相位元件(33)、第四四分之一波片(34)、第二反射镜(35)。
6.根据权利要求5所述的一种光场空间模式π/2变换装置，其特征在于，所述装置的输出端设置有二分之一波片(5)，以交换反射臂和透射臂在分别完成模式变换后空间模式的偏振状态。
7.根据权利要求6所述的一种光场空间模式π/2变换装置，其特征在于，所述第一法拉第旋光器(21)和所述第二法拉第旋光器(31)具有能将线性偏振光单向旋转45°的相同光学参数。
8.一种利用如权利要求7所述的光场空间模式π/2变换装置进行光场空间模式π/2变换的方法，其特征在于，所述光场空间模式π/2变换的过程包括：携带具有特定偏振状态的空间模式且波长为λ、束腰半径为
Figure FDA0004115701650000021
的矢量光场，由偏振分束器(4)分束后，一束反射光经反射臂完成标量模式变换，并以水平偏振态经由偏振分束器(4)透射输出；另一束透射光经透射臂完成标量模式变换，并以垂直偏振态经由偏振分束器(4)反射输出；在经偏振分束器(4)合束后从二分之一波片(5)透射出，完成矢量光场的π/2模式变换，获得π/2模式变换后的矢量光场；其中，所述特定偏振状态包括左旋圆偏振或右旋圆偏振。
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